П. Вовк

Построение импульсного источника питания на основе обратноходового трансформатора (часть II)

Построение импульсного источника питания на основе обратноходового трансформатора обычно связано с трудностями расчета трансформатора. Существует несколько методик, позволяющих осуществить эти расчеты, но в большинстве своем они мало применимы в реальности, поскольку рассчитаны на как можно более широкий спектр ключевых элементов, что в конечном итоге подтверждает классическое утверждение о том, что все универсальное по параметрам хуже специализированного.В данной статье описана практическая методика расчета обратноходового трансформатора и некоторых других элементов, рассчитанных на совместную работу с популярным ключевым элементом TOP412 (TOP414) производства Power Integrations Inc.

Для примера рассчитаем схему, приведенную на рис.1, задавшись следующими исходными данными:

E_{1 min}= 36, E_{1 max}= 72 - минимальное и максимальное значения питающего напряжения;

U_d = 5, I_d = 1, P_d = 5 B - номинальное напряжение, ток и мощность в нагрузке;

f₀ - рабочая частота преобразователя (для TOP412/414 f₀ = 120 : F );

h = 0,8 - предполагаемый КПД схемы преобразователя.

Рисунок 1. Упрощенная типовая схема преобразователя

1. Найдем среднее значение тока первичной обмотки при минимальном напряжении на входе схемы:

   

   Зададимся величиной

   

   где - максимальное напряжение на закрытом ключе S. Для TOP412 его величина ограничена 350В.

   
   U_OR < 103.

   Выбираем U_OR = 50.

2. Выберем напряжение стабилизации VR2. U_cm 1,5 · U_OR = 1,5 · 50 = 75B. Из ряда стандартных стабилитронов выбираем P6KE100A с U_cm = 100B и P_PK = 600Bm.

3. Выберем режим 1 (непрерывного тока дросселя) работы схемы. Зададимся коэффициентом K₁ = 0,6.

4. Найдем

5. Рассчитаем

6. Найдем из (7) действующее значение тока первичной обмотки дросселя:
   
7. Из уравнения энергетического баланса (10) найдем:

   

8. Выбор сердечника и каркаса дросселя осуществляем, пользуясь справочными данными производителей ферритовых изделий и аксессуаров. Пользуясь справочником EPCOS (Siemens Matsushita Components), выбираем Ш-образный сердечник EFD 20/10/7 из материала N87, основные параметры которого:
   • Длина средней магнитной линии - I_e = 47мм
   • Эквивалентное сечение магнитопровода - A_C = 31мм²
   • Эквивалентный объем сердечника - V_e = 1460мм³
   • Эффективная относительная магнитная проницаемость сердечника без зазора - m_C = 1440
   • Эффективная индуктивность - A_L = 1200 нГн/вum²
   • Ширина намоточной части каркаса - BW = 13,2мм
9. Зададимся количеством витков вторичной обмотки w₂ = 8 вum

10. Рассчитаем отношение с учетом прямого падения напряжения на диоде VD2 (для диода Шоттки типичное падение напряжения 0,4..1В):

    

11. Найдем число витков первичной обмотки: w₁ = w₂ · 9,1 = 8 · 9,1 = 73вum.

12. Рассчитаем эффективную индуктивность выбранного сердечника с зазором:
    
13. Найдем эффективную относительную магнитную проницаемость сердечника с зазором:

    

14. Рассчитаем величину зазора:

    

    Величина зазора находится в пределах от 0,05мм до 1мм - следовательно, она рассчитана правильно.

15. Найдем максимальный диаметр провода по изоляции первичной обмотки при условии, что обмотка имеет N_L слоёв. Пусть N_L = 2, тогда

    

    Ближайший меньший стандартный провод марки ПЭТВ-2 имеет диаметр по изоляции 0,33мм. Его диаметр по меди d_M = 0,28мм, площадь поперечного сечения по меди S_M = 0,062мм²

16. Найдем плотность тока в первичной обмотке:

    

    Для магнитопровода выбранного типоразмера рекомендуемая максимальная плотность тока в обмотках составляет 6А. Таким образом, расчетная величина не превышает максимально допустимую.

17. Найдем из (8) и (9) максимальное и действующее значение тока вторичной обмотки дросселя:

    

    

18. Найдем максимальный диаметр провода по изоляции вторичной обмотки при условии, что обмотка имеет NB параллельных ветвей. Пусть N_B = 3, тогда

    

    Ближайший меньший стандартный провод марки ПЭТВ-2 имеет диаметр по изоляции 0,51мм. Его диаметр по меди d_M = 0,45мм, площадь поперечного сечения по меди S_M = 0,16мм²

19. Найдем плотность тока во вторичной обмотке:

    

    Для магнитопровода выбранного типоразмера рекомендуемая максимальная плотность тока в обмотках составляет 6А. Таким образом, расчетная величина не превышает максимально допустимую.

20. Максимальное обратное напряжение на диоде VD2:

    

Выбираем диод Шоттки MBR745 c U_обр = 45 B и I_np = 7,5 A .

Подобным образом можно рассчитывать трансформаторы не только для TOP412/414, но и для всего спектра преобразователей напряжения производства Power Integrations. Эти расчеты являются упрощенными, но, тем не менее, дают очень хорошее приближение по сравнению с распространенной программой расчета трансформаторов для импульсных источников питания PI Expert.

Литература:

1. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник/ Березин О. К., Костиков В. Г.
2. Шахнов В. А. - М.:Три Л, 2000. - 398с.
3. Сидоров И. Н., Христинин А. А., Скорняков С. В. Малогабаритные магнитопроводы и сердечники. - М.: Радио и связь, 1989. - 384с.
4. www.onsemi.com/pub/Collateral/P6KE6.8A-D.pdf
5. www.irf.com/product-info/datasheets/data/mbr735.pdf
6. www.powerint.com/_linkedfiles/piexpertweb.exe
7. www.powerint.com/PDFFiles/top412414.pdf